Contra qué se comprobó el cálculo

Cada ecuación de diseño, cada constante y cada rango citado en KinetiRO Sim se leyó contra Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, Metcalf & Eddy, 5.ª edición, y contra el Informe Científico y Técnico n.º 9 de la IWA para el modelo de lodos activados.

Doce ecuaciones y doce tablas reproducen las referencias con exactitud, junto con las constantes estequiométricas y la lista completa de reactivos.

Doce cosas estaban mal. Tres de ellas movían respuestas reales. Tres eran valores que el usuario podía introducir y que el cálculo después ignoraba — lo cual es peor que una respuesta equivocada, porque la interfaz da a entender que el dato importa. El resto eran citas que apuntaban a la tabla equivocada mientras los valores eran correctos, cinco veces, que es la razón por la que una referencia de aspecto verosímil tampoco es prueba de nada.

Una segunda pasada, hecha ejecutando el tren de ejemplo distribuido con el software y persiguiendo cada verificación que levantaba, encontró más. Todo ello aparece abajo.

Razón de la publicación

Porque una verificación que no encuentra nada no es prueba de nada. Es prueba de que nadie miró con suficiente rigor.

Una versión de esta página que enumerara únicamente las ecuaciones correctas sería exacta, más breve y de ningún valor para el ingeniero que decide si apoyarse en una cifra que el software ha producido. Lo que ese lector requiere no es prueba de diligencia, sino el registro de lo que ocurre cuando la diligencia falla.

De modo que los fallos están en la página, con lo que cambió. También lo está la lista del trabajo que sabemos que vale la pena hacer y no hemos hecho.

Método de verificación

El texto de referencia se extrajo y se consultó directamente. Cada ecuación y cada tabla se leyeron en su sitio, en lugar de recordarse. Esa distinción no es pedantería: las citas estaban equivocadas cinco veces mientras los valores eran correctos, y solo leer la página detecta eso.

Las correcciones están cubiertas por conjuntos de regresión que ejecutan la aplicación bajo un navegador sin interfaz. Un conjunto comprueba, entre otras cosas, que la saturación de oxígeno disuelto a 20 °C coincida con 9.092 × (1 + 0.40 × D_f / 10.33), que la potencia del soplador coincida con la Ec. 5-77a con 0.01 kW de tolerancia, que el nitrógeno total sea igual al NTK más el nitrato con el nitrógeno gaseoso excluido, y que el núcleo de cálculo y la decoración de corrientes concuerden en el nitrógeno total con 0.05 mg/L de tolerancia. Otro resuelve el tren de ejemplo distribuido y afirma que no levanta ningún error ni ninguna advertencia — de modo que el próximo cambio a una verificación o a una correlación tiene que mantener limpio ese ejemplo, o explicar por qué no.

Primera pasada — hallazgos y correcciones

A — La saturación de oxígeno disuelto no coincidía con la tabla de referencia

La herramienta empleaba la cúbica de la APHA anterior a 1990, que lee por debajo en todo el rango y peor en su extremo superior: −0.8 % a 20 °C, −1.1 % a 25 °C, −1.6 % a 30 °C y −5.6 % a 40 °C. Se sustituyó por la relación de Benson–Krause a partir de la cual está tabulado el apéndice de la referencia, que la reproduce con ±0.001 mg/L entre 0 y 40 °C. Alimenta tanto la saturación a 20 °C como la razón de temperaturas de la ecuación de transferencia de oxígeno, de modo que movió directamente la respuesta de aireación.

B — La corrección a media profundidad de la ecuación de transferencia de oxígeno quedaba fuera del rango del libro

Usaba un factor de 0.5 donde la ecuación define de 0.25 a 0.45, típicamente 0.40, y una presión estándar de 10.33 m de columna de agua. Ahora 0.40 y 10.33 m.

C — El soplador ignoraba sus propios datos de entrada

Tomaba una presión de descarga y una eficiencia, no usaba ninguna de las dos y reportaba únicamente el caudal de aire — mientras la ecuación correcta ya estaba implementada cien líneas más allá, para otro bloque. Ahora calcula la potencia al eje, la relación de presiones, el flujo másico de aire y la potencia específica, y compara su servicio contra el aire de proceso que los reactores aguas abajo efectivamente demandan.

D — El nitrógeno total estaba mal en ambos sentidos

Contabilizaba el nitrógeno gaseoso disuelto que libera la desnitrificación, que no es un constituyente sujeto a permiso, y omitía el nitrógeno orgánico ligado a las fracciones de DQO, que en un efluente nitrificante es el mayor de los dos términos.

E — El NTK del afluente se leía y se descartaba

El campo existía, el usuario podía escribir en él, y nada aguas abajo utilizaba el valor.

F — La edad del lodo no se calculaba nunca

La hoja de referencia de un bloque la comentaba, una verificación de diseño advertía que era demasiado corta, y nada la calculaba. Ahora se deriva sobre el diagrama de flujo convergido, contando únicamente los sólidos que cruzan efectivamente una frontera del sistema — los que recorren el lazo de recirculación no han salido.

G — Cinco citas apuntaban a la tabla equivocada mientras los valores eran correctos

La separación, la velocidad y la inclinación de la rejilla de barras se citaban a la Tabla 5-2, que corresponde a cantidades de cribado grueso; son la Tabla 5-4. La remoción de SST del sedimentador primario se citaba a la Tabla 5-18, que corresponde a desarenadores de vórtice. La altura lateral de agua del primario se citaba a la Tabla 5-19 en lugar de la 5-20. El tiempo de retención hidráulica de aireación se citaba a la Tabla 8-17, que es el procedimiento de diseño del reactor secuencial por lotes, en lugar de la 8-19. La mezcla en ecualización se citaba a un capítulo en lugar de a una sección.

Las cinco corregidas — y las filas de la rejilla de barras distinguen ahora entre rejillas de limpieza manual y de limpieza mecánica, que la tabla correcta da como columnas separadas y la equivocada no.

H — Las profundidades de los medios filtrantes estaban mal citadas

La antracita se daba como 12–24 in frente a los 360–900 mm del libro, y la arena como 6–16 in frente a 180–360 mm — incoherente con los propios diseños de lecho de la aplicación, que eran correctos. Corregido, con el valor típico al lado.

I — Se citaba un rango de concentración municipal que no aparece en la tabla citada

"DQO municipal de concentración media 430–800 mg/L" no está en ninguna parte de esa tabla, que da 339, 508 y 1016 mg/L para concentración baja, media y alta. La guía enumera ahora las tres columnas del libro para DQO, DBO₅, SST, nitrógeno total y fósforo total.

J — Una exportación prometida no existía

El menú de proyecto anunciaba un archivo sellado .eaqua, un plano en PDF o JSON simple, y ofrecía los dos primeros. La exportación a JSON ya está — el mismo formato que la importación ya leía de vuelta.

Segunda pasada — el tren de ejemplo

El ejemplo distribuido es un esquema de reúso para alimentos y bebidas de 1,000 m³/d. Ejecutarlo levantó diez verificaciones de diseño. Cinco eran fallas del ejemplo mismo y se eliminaron rediseñándolo. Dos eran fallas del modelo. Una era una verificación calibrada contra la magnitud equivocada. El ejemplo resuelve ahora sin errores ni advertencias; quedan dos cifras reportadas, que es para lo que sirven las cifras reportadas.

K — El NTK medido no llegaba al modelo

El punto más consecuente de esta página. Los valores por omisión del modelo están calibrados sobre agua residual municipal. Apúntense a un afluente industrial concentrado y pobre en nitrógeno, e inventan nitrógeno que el agua no contiene. En el ejemplo trabajado, los factores de composición por omisión entregaban 114.6 mg/L de NTK frente a los 60 mg/L que se habían introducido — una sobrestimación del 91 % — y la corriente de lodos arrastraba 512 mg/L. El NTK medido fija ahora el total y los factores de composición lo distribuyen. La corriente de residuales de ese ejemplo lee ahora 240 mg/L.

Se añadió al mismo tiempo una verificación de diseño: cuando el escalado ha tenido que alejarse mucho del valor municipal por omisión, la herramienta lo señala, porque en ese punto el análisis de nitrógeno y el fraccionamiento de DQO describen aguas distintas y uno de los dos está equivocado.

L — La pérdida de presión por elemento era una asignación fija

A cada elemento de membrana se le cargaban los mismos 0.35 bar con independencia del caudal que lo atravesara, lo cual retira presión motriz precisamente de los elementos que menos tienen. En el tren de ejemplo la cola leía 1.6 LMH frente a 29.7 en la cabeza. Con la correlación dependiente del caudal en su sitio, el mismo arreglo lee 2.9 LMH en la cola, y la pérdida de presión del tren cae de 4.2 bar modelados a 2.0.

M — Dos verificaciones de diseño estaban calibradas contra la magnitud equivocada

Un rango de volumen de cribado medido sobre agua residual municipal se disparaba en todo diseño industrial; ahora se escala a los sólidos propios de la alimentación. Una verificación de dispersión del flux se disparaba en prácticamente cualquier disposición estándar de membranas, porque el flux siempre decae — para eso existe un escalonamiento. Ahora se dispara cuando la cola cae por debajo de un cuarto del promedio del arreglo, que es el criterio útil: si la parte trasera del tren ha dejado de contribuir.

N — Cinco fallas en el ejemplo mismo

Vale la pena publicarlas porque son la clase de cosa que las verificaciones existen para detectar, y se detectaron en nuestro propio ejemplo distribuido.

La pérdida de carga de la rejilla a media obstrucción era de 622 mm, con aberturas de 6 mm detrás de barras de 10 mm al 37 % de área libre; ahora es de 189 mm.
El balance de energía del reactor anaerobio era de −218 kW, por 7 °C de elevación sobre una alimentación a 28 °C; ahora es de +83 kW, sostenido a 30 °C.
El soplador estaba especificado en 500 Nm³/h frente a 670 demandados, y ahora entrega 750.
Su presión de descarga de 60 kPa alcanzaba 2.5 m frente a difusores situados a 4.5 m, y ahora es de 85 kPa alcanzando 5.1 m.
El arreglo de ósmosis inversa era de 5 × 6 elementos, con un caudal de concentrado en cola de 3.11 m³/h por recipiente frente a un mínimo de 3.2 m³/h; ahora es de 5 × 5, a 3.85 m³/h, con el elemento de cabeza a 25.3 LMH frente a su valor nominal de 30 LMH.

O — El conteo de incidencias incluía cosas que no eran problemas

El distintivo contaba cada nota, de modo que un diseño terminado mostraba "10". Ahora cuenta errores y advertencias; las cifras reportadas se enumeran bajo "Para información", debajo del visto bueno.

Tercera pasada — derivación a partir de la bibliografía

Cuatro referencias acompañan ahora al proyecto: Metcalf & Eddy 5.ª edición, los manuales técnico y de planta piloto de Hydranautics HYDRAcap MAX para la unidad de ultrafiltración, y Saeed & Alhawaj (2024), Water Practice & Technology 19(7):2681, para el arreglo de ósmosis inversa. Cada punto de abajo cita una de ellas.

P — La curva de sedimentación se deriva del índice volumétrico de lodos (IVL), y los resultados se mueven

V_max y k ya no se introducen a mano. Se derivan de la Ec. (8-86) de Metcalf & Eddy, p. 896, la correlación de Daigger (1995), puesta en la forma de la Ec. (8-85). Término a término, esto da V_max = e^1.871 = 6.495 m/h, fija, y k = 1000(0.165 + 0.00159·IVL).

La referencia declara la razón para preferirla: la correlación existe para que un análisis de flujo de sólidos pueda realizarse a partir de datos de IVL en lugar de un procedimiento extenso de ensayos de sedimentación. El IVL se mide en plantas en operación; V_max no.

Esto cambia resultados, y eso no es un defecto

El par derivado no reproduce los valores que Metcalf & Eddy cita bajo la Ec. (8-85) — típicamente 7 m/h y 600 L/mg a un IVL de 150. Con un IVL de 150 la derivación da 6.495 m/h y 404 L/mg, y la velocidad de sedimentación zonal a 3000 mg/L sube de 1.157 a 1.936 m/h. Wilson & Lee y Daigger son correlaciones independientes, obtenidas de datos distintos, y la referencia imprime ambas sin reconciliarlas. La aplicación emplea ahora la correlación que se deriva del IVL.

La consecuencia es un área de sedimentador distinta. Un diagrama de flujo dimensionado antes de este cambio, y vuelto a ejecutar después con el mismo IVL y los mismos SSLM, devuelve un área requerida distinta. No hace falta editar nada del diagrama para que la respuesta se mueva.

Una correlación ajustada sobre otras plantas no invalida una medición de la planta en cuestión, de modo que un resultado de columna de sedimentación puede introducirse directamente y tiene precedencia. Se introducen ambos valores o ninguno: una V_max sin una k no es una curva, y una V_max medida emparejada con una k derivada produciría una curva que nadie eligió. La vía seguida se reporta.

Q — La velocidad de descarga inferior se declaraba y nunca se escribía

solver.js declaraba veintiún resultados del sedimentador. El núcleo de cálculo escribía veinte. La posición 20, la velocidad de descarga inferior U_b, no se asignaba nunca.

Los resultados comparten un mismo búfer entre nodos, de modo que el campo no leía cero. Leía lo que el nodo anterior hubiera dejado en ese desplazamiento. Se mostraba un resultado procedente del nodo equivocado. Todo sedimentador de la aplicación mostraba la cifra de otra unidad bajo una etiqueta que se lee como una respuesta. Esto estaba activo en la beta, y se encontró al agregar aserciones.

U_b se escribe ahora como el caudal de descarga inferior entre el área superficial — el término de transporte másico de la Ec. (8-88) de Metcalf & Eddy — y se contrasta contra esos dos valores reportados en lugar de contra sí misma.

R — Los SST pueden derivarse del fraccionamiento de DQO

Los SST del afluente eran antes únicamente una concentración escrita. Ahora pueden derivarse en su lugar, como la suma de composición de ASM3 sobre la DQO particulada, sin término de biomasa ni de almacenamiento, porque un afluente crudo no lleva ninguno de los dos. La Tabla 8-11 de Metcalf & Eddy aporta los parámetros de composición, con valores por omisión de 0.75 g SS/g DQO.

Ambas vías se calculan y se reporta la que gobierna. Ese es el propósito antes que una comodidad: una caracterización cuyos SST medidos y cuyo fraccionamiento de DQO discrepen de manera sustancial indica que el reparto está mal, y esa indicación resulta invisible si solo se muestra la vía seleccionada.

S — Procedencia del arreglo de ósmosis inversa, y una ecuación deliberadamente no implementada

El modelo del arreglo ya era el publicado en Saeed & Alhawaj. Verificado como presente antes de cualquier cambio: la Ec. (7), β = exp(0.7R), aplicada por elemento con la recuperación propia de ese elemento; la Ec. (14), el flux de solución–difusión con deterioro por ensuciamiento; y las Ecs. (17) y (18), P_dp = 0.01·n·Q_av^1.7 con Q_av = (Q_f + Q_c)/2. Nada requirió reescritura. Lo que faltaba era la cita.

La corrección por temperatura sigue siendo de Arrhenius, exp[2700(1/298.15 − 1/T)], en lugar de la Ec. (19a/b) del artículo, exp[0.0343(T − 25)]. La aplicación distribuye elementos reales — ESPA, CPA, SWC y SW30 — cuyo flux nominal se toma de fichas técnicas que publican la forma de Arrhenius. Coincidir con la ficha técnica de la que procede un elemento es preferible a coincidir con una correlación general.

Las Ecs. (4) y (5), el factor de concentración promedio ACF = ln(1/(1−R))/R, no están implementadas y no deben estarlo. El factor es una estimación en forma cerrada de la concentración media del lado de alimentación cuando un recipiente a presión se trata como un único bloque. Este modelo integra ese aumento de concentración elemento por elemento, que es la magnitud que el ACF aproxima. Aplicar ambos contaría el aumento dos veces.

Cómo se probó esta ronda

ci/suites/bibliography.js contiene 31 aserciones, cada una hecha contra la ecuación publicada y no contra un valor capturado. Un número capturado pasa por la razón equivocada en cuanto el modelo se mueve.

Tres de esas aserciones estuvieron mal antes de estar bien. Los fallos se registran porque son el mismo error que este proyecto no deja de encontrar, en miniatura:

Una comparaba un valor consigo mismo y no podía fallar.
Una afirmaba que la curva medida sedimenta más rápido que la curva derivada. Eso es falso aquí: la curva de sedimentación cambia el punto de operación del sedimentador, de modo que las dos ejecuciones se equilibran a SSLM distintos y la comparación se hacía entre dos plantas diferentes.
Una repetía esa afirmación a una concentración fija, lo cual sigue siendo incorrecto, porque las curvas de Vesilind con V_max distinta y k distinta se cruzan. Para el par ensayado el cruce está cerca de 2870 mg/L, dentro del rango normal de SSLM, de modo que el orden se invierte según dónde se evalúe.

Las aserciones de reemplazo afirman que el cruce cae donde el álgebra lo sitúa, y que las dos curvas se ordenan correctamente a cada lado de él. Revertir la derivación produce cinco fallos; ignorar la anulación manual produce cuatro.

Métodos que van más allá de la referencia

La marcha de membrana elemento por elemento va más allá de la referencia

Metcalf & Eddy da el par de solución–difusión, las Ecs. 11-38 y 11-39, y se detiene. La marcha en sí, el factor de polarización por concentración, la corrección por temperatura y los límites de fabricante por elemento son práctica estándar de proyección de membranas antes que material de libro de texto. Eso es mejor ingeniería que el tratamiento agregado del libro, y es una procedencia distinta, de modo que la nombramos en lugar de dejar que un lector que ha visto "M&E" en otros bloques la suponga también aquí.

El bloque Fenton no tiene método de diseño de referencia

Su hoja de referencia lo declara. No es un descuido.

Digno de hacerse, no hecho

Quedan tres puntos en esta lista. Un cuarto, la derivación de la curva de sedimentación a partir del IVL, se ha completado y está registrado como punto P en la tercera pasada, arriba. Aparece tachado en lugar de eliminado: el razonamiento que expuso es el razonamiento sobre el que se actuó, y el registro debe mostrarlo.

La lista se publica íntegra. Un registro de trabajo pendiente que se guarda solo de forma interna no es un registro; es una opinión.

~~La Ec. (8-86) permitiría que el IVL gobierne la curva de sedimentación~~ — completado, véase el punto P

Conservado en lugar de suprimido. El razonamiento aquí registrado era que un dato de entrada ya presente en el formulario debía hacer el trabajo que su etiqueta da a entender, y ese es el razonamiento sobre el que se hizo el cambio.
El modelo del arreglo de ósmosis inversa va más allá del libro, y el bloque debería declararlo con más énfasis del que lo hace

Véase la sección anterior. Un usuario que lea "M&E" en otros bloques puede arrastrar la suposición hasta aquí.
Los SST del afluente y la DQO particulada de ASM3 no están reconciliados

El afluente fija los sólidos suspendidos directamente a partir de los SST introducidos, mientras que las reacciones los alteran mediante los factores de sólidos a DQO. Con el preajuste por omisión, esos factores implican 394 mg/L frente a los 300 introducidos. Ambos son defendibles — los SST están medidos, los factores son típicos — pero la diferencia se propaga por el diseño. El tratamiento que el nitrógeno acaba de recibir, el punto K, la cerraría: que el valor medido fije el total y los factores fijen la distribución.
Fenton no tiene método de libro

La guía ya lo declara. No se desea cambio alguno; se enumera aquí para que no se confunda con un descuido.

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